（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的研究与应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了网络控制系统在网络诱导时延、丢包和多包传输等问题的影响下， 系统的稳定性和控制器的设计方法。 首先，分析了三种主要控制网络的技术特点，以及它们在网络控制中的优缺点， 对比了它们在一定网络条件下的性能指标。然后应用t r u e t i m e 工具箱搭建了网络 控制系统的仿真平台，通过对直流伺服电机控制系统的仿真试验，研究了网络对于 控制系统的影响。 其次，通过对网络控制系统( n c s ) 建立离散数学模型，分析了网络时延对于控 制系统稳定性的影响。并将模糊控制技术引入到非线性对象的处理中，在不确定网 络时滞有界的条件下，推导出了保证系统稳定的基于线性矩阵不等式( l m i ) 的时 滞依赖条件。在此基础上，又得出了n c s 系统保性能控制的条件。 最后，通过对n c s 系统建立采样数据模型，用不确定采样间隔来补偿网络传输 丢包问题，研究了具有多传感器和多执行机构的网络控制系统的稳定性问题，并得 出了保证系统稳定的l m i 充分条件。 关键词：网络控制系统，线性矩阵不等式，模糊t - s 模型，采样数据系统 a b s t r a c t t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) a f f e c t e db yn e t w o r k e d i n t r o d u c e dd e l a y ， d a t ap a c k e td r o p o u ta n dm u l t i p l e t r a n s m i s s i o na r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r so ft h r e em a i nt y p e so fc o n t r o ln e t w o r ka p p l i e di n i n d u s t r i a la r e aa r ed i s c r i b e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hn e t w o r k a r ea n a l y z e d t h e nas i m u l a t i o np l a t f o r mo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t r u e t i m et o o l b o xi sc o n s t r u c t e d t h ee f f e c t so ft h en e t w o r k sa r ee v a l u a t e d t h r o u g has e r i e ss i m u l a t i o n so fd c s e r v oc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ， b a s e do nd i s c r e t em o d e o f n c s ，t h e e f f e c t so f n e t w o r k e d i n t r o d u c e dd e l a ya r ea n a l y z e d t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n sb a s eo n f u z z y1 i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s ( l m i ) f o rs t a b i l i t yi sp r o p o s e du n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tt h ed e l a yi sb o u n d e d t h e nc o n d i t i o o so fg u a r e n t e e dc o s tc o n t r o l i sd e d u c e d f i n a l l y ，b a s e do ns a m p l e d d a t am o d e l ，t h en c sw i t hm u l t i p l es e n s o ra n d m u l t i p l ea c t u a t o ri sa n a l y z e d w i t ht h ec o m p e n s a t i o no fd a t ap a c k e td r o p o u tb y v a r y i n gs a m p l ei n t e r v a l ，t h es u f f i c i e n td e l a y d e p e n d e n tr e l i a b l el m ic o n d i t i o n f o rn c si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ， t sm o d e l ，s a m p l e d d a t as y s t e m s 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了网络控制系统在网络诱导时延、丢包和多包传输等问题的影响下， 系统的稳定性和控制器的设计方法。 首先，分析了三种主要控制网络的技术特点，以及它们在网络控制中的优缺点， 对比了它们在一定网络条件下的性能指标。然后应用t r u e t i m e 工具箱搭建了网络 控制系统的仿真平台，通过对直流伺服电机控制系统的仿真试验，研究了网络对于 控制系统的影响。 其次，通过对网络控制系统( n c s ) 建立离散数学模型，分析了网络时延对于控 制系统稳定性的影响。并将模糊控制技术引入到非线性对象的处理中，在不确定网 络时滞有界的条件下，推导出了保证系统稳定的基于线性矩阵不等式( l m i ) 的时 滞依赖条件。在此基础上，又得出了n c s 系统保性能控制的条件。 最后，通过对n c s 系统建立采样数据模型，用不确定采样间隔来补偿网络传输 丢包问题，研究了具有多传感器和多执行机构的网络控制系统的稳定性问题，并得 出了保证系统稳定的l m i 充分条件。 关键词：网络控制系统，线性矩阵不等式，模糊t - s 模型，采样数据系统 a b s t r a c t t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) a f f e c t e db yn e t w o r k e d i n t r o d u c e dd e l a y ， d a t ap a c k e td r o p o u ta n dm u l t i p l e t r a n s m i s s i o na r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r so ft h r e em a i nt y p e so fc o n t r o ln e t w o r ka p p l i e di n i n d u s t r i a la r e aa r ed i s c r i b e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hn e t w o r k a r ea n a l y z e d t h e nas i m u l a t i o np l a t f o r mo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t r u e t i m et o o l b o xi sc o n s t r u c t e d t h ee f f e c t so ft h en e t w o r k sa r ee v a l u a t e d t h r o u g has e r i e ss i m u l a t i o n so fd c s e r v oc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ， b a s e do nd i s c r e t e m o d e lo f n c s ，t h e e f f e c t so f n e t w o r k e d i n t r o d u c e dd e l a ya r ea n a l y z e d t h es u f f i c i e n tc o n d i t i o n s b a s eo n f u z z y1 i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s ( l m i ) f o rs t a b i l i t yi sp r o p o s e d u n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tt h ed e l a yi sb o u n d e d t h e nc o n d i t i o d so fg u a r e n t e e dc o s tc o n t r o l i sd e d u c e d f i n a l l y ，b a s e do ns a m p l e d - d a t am o d e l ，t h en c sw i t hm u l t i p l es e n s o ra n d m u l t i p l ea c t u a t o ri sa n a l y z e d w i t ht h ec o m p e n s a t i o no fd a t ap a c k e td r o p o u tb y v a r y i n gs a m p l ei n t e r v a l ，t h es u f f i c i e n td e l a y d e p e n d e n tt e l i a b l el m ic o n d i t i o n f o rn c si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ， t - sm o d e l ，s a m p l e d d a t as y s t e m s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络控制系统的研究与应用，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耋兰垒日期 2 占，f 0 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的s 复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 量兰洼 1 日期：2 0 6 3 、t o 导师签名： 日期：兰出! i ： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，1 网络控制的研究背景与意义 随着控制系统规模的增大和计算机技术的迅速发展，过程控制逐步向分布式方 向发展。七十年代中期，自从h o n e y w e l l 公司推出了型号为t d c 2 0 0 0 的集散控制系 统( d c s ) 以来，基于集中管理和分散控制模式的集散控制系统得到了迅速的发展。 它有效的解决了过去集中控制中危险集中、维护困难等问题。然而，在集散控制系 统中，大部分实时控制任务都是在单独模件中处理，只有开关量信号，监视信息和 报警信息等信号在网络上传输，因此模件间的联系非常松散。同时，受计算机系统 早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各d c s 厂家的产品自成系统，不同厂家的设 备不能互相连接，难以实现互换和互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在 很多困难。到了9 0 年代，随着网络通讯技术的不断提高以及大规模集成电路迅速 发展，以及硅片价格的大幅度降低，许多传感器和执行器都集成了网络通讯接口， 使他们可以作为实时控制网络上的独立节点，相互进行信息交互。在此基础上，网 络控制系统( n c s ) 得到了发展。 网络控制系统是以网络为基础的分布式系统，它可以应用于大范围区域的控制， 系统包含大量的相互交换信号和信息的设备。网络控制系统的特征是通过一系列的 通信信道构成一个或多个控制闭环，同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功 能，控制器可以分散在网络中的不同地点。与传统的控制系统相比，网络控制系统 具有可以实现资源共享、实现远程操作与控制、具有高的诊断能力、安装与维护简 便、能有效减少系统的重量和体积、增加了系统的灵活性和可靠性等诸多优点。另 外使用无线网络技术还可以实现使用大量广泛散布的廉价传感器与远距离的控制 器、执行器构成某些特殊用途的n c s ，这是传统的控制系统所无法实现的。 但同时由于网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络 的承载能力和通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得信息在 传输过程中不可避免地存在时延时延由于受到网络所采用的通信协议、网络当时 的负荷状况、网络的传输速率和信息包的大小等诸多因素的影响，而呈现出或固定 或随机、或有界或无界的特征，导致控制系统性能的下降甚至不稳定，同时也给控制 系统的分析、设计带来了很大的困难。传统的控制理论在对系统进行分析和设计时， 往往做了很多理想化的假定，如单采样频率、同步控制、无延时传感和调节而在n c s 中由于控制回路中存在网络迟延，上述假定通常是不成立的。需要将一些先进的控 制策略引入到n c s 控制中，才能更好的分析和设计网络控制系统，从而促进其在工 业生产领域的应用。因此本课题具有研究及应用价值。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 网络控制系统概述 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ”最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 的论著中，但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在 该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。清华大学的顾洪军给出了明确的 定义： 定义1 1 网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，又称为网络 化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个区域内一些现场检测、 控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不 同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在 内，而且还包括通过企业信息网络以及i n t e r n e t 实现对工厂车间、生产线甚至现 场设备的监视与控制等。 网络控制系统是计算机网络技术在控制领域的延伸和应用，是计算机控制系统 的更高发展，是以控制“事务对象”为特征的计算机网络系统，简称为 i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 网络控制系统的典型结构如图l 所示： 图1 网络控制系统结构图 网络控制系统的特点如下： 1 ) 结构网络化：网络控制系统最显著的特点体现在网络体系结构上，它支持如总 线型、星型、树型等拓朴结构，与传统分层控制系统的递阶结构相比显得更加扁 平和稳定； 2 ) 节点智能化：带有c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协调， 每个节点都是组成网络控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功能； 3 ) 控制现场化和功能分散化：网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放到 智能化现场设备上运行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠性和安 全性； 4 ) 系统开放化和产品集成化：网络控制系统的开发是遵循一定标准进行的，是一 个开放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些产品之间 便能实现互操作和集成。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 网络控制研究中存在的问题 尽管网络控制系统具有以上众多优点，但在实际的分析设计中仍有很多亟待 解决的问题，比如网络时延、丢包以及多包传输问题。这些问题导致了系统控制品 质的下降，严重时甚至会导致系统的不稳定。下面将详细介绍n c s 中存在的几个主 要问题。 1 3 1 时变传输周期 传统的计算机控制系统都假设对被控对象的采样为等周期采样，这种假设使得 对系统的分析大大简化。然而，在n c s 中这种等周期采样的假设将不再成立。在n c s 中，对采样数据的传输可以是周期的，也可以是非周期的，这将取决于控制网络的 介质存取控制协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，简称m a c 协议) 。m a c 协议 一般分为两类：随机存取和调度。载波侦听多路存取( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 是随机存取网络中最常用的一种协议，而令牌环( t o k e np a s s i n g ) 和时分多 路存取( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是调度网络中最常用的。 1 3 2 网络调度 在n c s 中，控制环的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资 源的调度。这里所说的网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层，调度算法 所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不关心被 发送的数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种措施， 这些问题在网络层由线路优化和堵塞控制算法来考虑。另外，发生在用户层的调度 控制还可以调度控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中冲突现象的发生 从而最大限度地减少数据的传输时延。 1 3 3 网络诱导时延 在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以，当n c s 的传感 器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，其会降低系统 的性能甚至引起系统不稳定。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得非常复杂， 虽然时延系统的分析和建模近年来取得很大进展，但n c s 中可能存在多种不同性质 的时延( 常数、有界、随机时变等) ，使得现有的方法一般不能直接应用。 1 3 4 单包传输和多包传输 单包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一个数据包中 一起发送。而多包传输是指n c s 中的传感器、控制器的一个待发送的数据被分成多 个数据包进行传输。在包交换网络( p a c k e ts w i t c h e dn e t w o r k ) 中要进行多包传输， 一方面是因为单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信息；另一方面是 因为n c s 的传感器和执行器常常分布在一个很大的物理空间，要将这些数据放在 一个数据包中往往是不可能的。传统的采样控制系统都是假设被控对象的输出和控 制输入是同时传递的，而这在具有多包传输的n c s 中已不再成立。因为一个数据要 1 华北电力大学硕士学位论文 分成多个数据包多次传输，这些数据包不可能同时传递，也不可能同时到达。 1 3 5 数据包的时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这必 然会导致数据包的时序错乱。在n c s 中，数据包的时序错乱又分为两种情况： ( 1 ) 单包情况下，每一包数据便是一完整的数据，此时的数据包的时序错乱是指原来 有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序与原 来的时序不同。 ( 2 ) 多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点到 达目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。 对以上两种情况，在n c s 的设计中应分别给予相应的处理。 1 3 6 数据包丢失 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又必然会导致数据包的 丢失。虽然大多数网络都具有重新传输的机制，但它们也只能在一个有限的时间内 传输，当超出这个时间后，数据也就会丢失。传统的点对点结构的控制系统基本上都 是同步和定时的系统，它可以对系统中参数或者未建模动态具有较强的鲁棒性，但 可能完全不能容忍数据网络的结构和参数的改变( 网络中的数据包丢失可以看成 网络结构和参数的改变) 。因此在n c s 的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相 应的解决方法。 1 3 7 节点的驱动方式 n c s 的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。n c s 的传感器一般采用时 钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可 以是事件驱动。事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： ( 1 ) 控制器为事件驱动时，由传感器发送的数据- n 达控制器便马上参加运算， 避免了控制器为时钟驱动时的数据等待被采样的时间，客观上减少了网络诱导时 延； ( 2 ) 控制器为事件驱动时，避免了控制器为时钟驱动时的控制器和传感器时钟同步 的困难； ( 3 ) 控制器采用事件驱动方式，也避免了控制器为时钟驱动时容易出现的无效采样 ( v a c a n ts a m p l i n g ) 和数据丢失( m e s s a g er e j e c t i o n ) ，提高了反馈数据的利用率。 很多现场总线技术已采用了事件驱动方式，如美国e c h e l o n 公司1 9 9 3 年推出 的l o n w o r k s 现场总线技术。 1 3 - 8 时钟同步 在n c s 中，当控制器和执行器有一个为时钟驱动时，便存在一个时钟同步问 题。时钟同步又可分为硬件同步和软件同步。在n c s 中，由于系统的节点有可能分 布在一个较大的物理空间，用硬件同步一般比较困难，多采用软件同步的方式，一 4 华北电力大学硕士学位论文 般是通过在网络上定时广播同步时钟的方式实现。 1 4 网络控制系统的研究现状 网络控制系统的概念自产生以来，就受到了控制界和计算机界的高度重视。美 国加州大学b e r k e l e y 分校、b e l l 实验室、a t & t 的i n t e r n e t 研究中心等早在9 0 年 代就提出了对网络特性进行分析研究的计划，m a r y l a n d 大学和c a s ew e s t e r n r e s e r v e 大学也高度重视其在工业控制中的应用，我国在8 6 3 高技术研究计划中也 对此给予了高度的重视。目前在n c s 控制领域已经取得了一系列的成果，就系统分 析和设计方法而言，主要有基于离散模型的方法、基于连续模型的方法和基于混杂 模型的方法。下面分别予以介绍。 1 4 1 基于离散模型的分析和设计 在n c s 中，由于网络诱导时延是随机时变的，需要采用随机的方法进行分析设 计，但随机的方法要求网络诱导时延服从某一确定的分布，且分布特性已知，而实 际的网络时延分布特性常常随羞网络状况的不同而变化或服从某一未知分布特性， 因此研究起来比较困难，早期的研究一般采用确定的方法设计n c s 控制器。文献 1 ， 2 已经证明，对于具有随机传输时延的系统，若按最大时延来设计控制器，则相应 的闭环系统不一定稳定。因此，要采用确定性方法来设计控制器时，首先应将随机 时变时延转化为确定性时延，然后针对具有确定性时延的n c s 系统设计控制器。文 献 3 ，4 提出了通过在系统的数据接收端设置一定长度的缓冲区的方法将随机时延 转化为一确定时延，从而将随机时变的系统转换为确定性系统，并基于该确定性 模型设计了n c s 的多步时延补偿器，并检验了系统模型中含有不确定参数时该补偿 算法的鲁棒性。文献 5 提出了一种多输入多输出n c s 的时延补偿算法，并将使用 于一步预测的标准环路传递再生方法推广到多步预测的情况。文献 6 在考虑了n c s 的噪声的情况下，利用与文献 3 类似的方法设计了n c s 的多步时延补偿器。文献 7 利用文献 3 提出的n c s 的确定性模型，设计了n c s 的状态观测器。 由于n c s 的确定性方法人为的扩大了网络诱导时延，从而降低了系统的性能， 因此很多学者研究了n c s 的随机控制方法。文献 8 分析了n c s 的网络诱导时延， 在时延分析中考虑了信号丢失( m e s s a g er e j e c t i o n ) 和无效采样( v a c a n t s a m p l i n g ) ，并基于控制器的离散动态模型建立了n c s 的离散模型，从而将一无限 维的连续系统转化为一有限维的离敖系统，且分析了具有周期性随机网络诱导时延 情况下n c s 的稳定性。文献 9 中讨论了受随机时延影响的实时系统的建模和稳定 性问题，并且基于随机控制理论设计了随机最优控制器。但这种设计方法要求网络 诱导时延的概率分布特性已知，并且需要为控制和测量信号增加时间戳信息文献 1 0 用隐性m a r k o v 模型对未知分布的网络迟延进行了建模，从而克服了文献 9 中 对时延分布已知的要求，并且在对n c s 稳定性分析的基础上设计了随机最优控制器 5 华北电力大学硕士学位论文 文献 1 1 采用m a r k o v 链对网络迟延进行了分析建模，并应用随机l y a p u n o v 函数方 法和跳变线性系统方法分析了具有数据包乱序问题的n c s 系统的稳定性文献 1 2 用有限状态m a r k o v 过程的离散跳变系统对时延大于一个采用周期的n c s 系统建模， 讨论了系统稳定的条件，并应用内点法为系统设计了稳定的动态控制器文献 1 3 也建立了n c s 的离散模型，并利用跳变线性系统的方法分析了反馈通路中存在非线 性时n c s 系统的稳定性。文献 1 4 将离散时变系统的稳定性分析方法用于分析n c s 的稳定性，给出了检验n c s 稳定性的条件。文献 1 5 ，1 6 讨论了具有积分对象的n c s 设计，并给出了n c s 稳定的充分条件。文献 1 7 将n c s 系统表示成离散切换系统的 形式，然后应用离散切换系统相关理论分析了系统的稳定性 1 4 2 基于连续模型的分析和设计 除了采用离散的方法对n c s 进行分析，也有部分学者建立了n c s 的连续模型，并 基于n c s 连续模型对系统进行了分析设计文献 1 8 基于线性时不变对象，建立了 n c s 连续系统模型，并设计了n c s 的预测器文献 1 9 基于n c s 的连续系统，针对本来 稳定的系统，证明了只要网络中数据传输间隔小于某一确定值，通过网络闭环的网 络控制系统便依然稳定文献 2 0 基于非线性被控对象，提出了一种n c s 的两步设计 方法，即第一步按没有网络存在时用常规设计方法设计系统的控制器，第二步当网 络加到系统中之后，只要选择合适的网络协议和带宽便可以保证n c s 系统的稳定性 文献 2 1 基于n c s 的连续模型分析了扰动对系统稳定性的影响，指出只要扰动有界， 则系统的状态最终有界文献 2 2 ，2 3 提出了两种网络误差编码方案：静态编码和动 态编码，并基于n c s 的连续模型分析了两种编码方案情况下网络误差的界以及对系 统稳定性的影响文献 2 4 提出了一种停留时间( d w e l lt i m e ) 方案用以提高网络中 数据的传输速率，并分析了n c s 的稳定性，且强调指出用划分状态空间的方法可以减 少系统设计的复杂性文献 2 5 基于连续系统的被控对象模型，研究了一组线性时 不变的被控对象组成的n c s 的同时镇定问题 1 4 3 基于混杂模型的分析和设计 混杂系统( h s ) 主要研究由连续性子系统和离散性子系统相互作用而构成的一 类动态系统，又称混杂动态系统( h d s ) 连续性子系统的动态特征随时间发展不断 演化，离散性子系统的动态演化受事件的驱动二者相互作用，使系统的运行轨 迹整体上呈现离散位置的迁移，局部上呈现连续状态的渐进演化，在综合了连续 变量动态系统( c v d s ) 和离散事件动态系统( d e d s ) 演化特征的基础上，表现出更加 复杂的动态行为网络控制系统实质上是一个混杂系统，因此采用混杂系统对其建 模能够比较准确的反映网络控制系统的动态特征文献 2 6 给出了对一类网络控制 系统建立混杂模型的方法，并用混杂系统理论分析了系统的稳定性。文献 2 7 利用 6 华北电力大学硕士学位论文 稳定域的概念和混杂系统的分析方法分析了系统的稳定性，并基于n c s 的时域解提 出了网络诱导时延的补偿方案且研究了具有数据包丢失和多包传输的稳定性问题 并用异步动态系统的分析方法分析了有数据包丢失及多包传输的n c s 的稳定性文 献 2 8 建立了n c s 与开关混杂系统之间的等价关系文献 2 9 中对于网络诱导时延 大于一个采样周期的n c s 系统建立了混杂模型，应用混杂系统理论和l m i 方法，得 到了保证混杂系统稳定的充分条件，并针对一类n c s 给出玑控制方案。 1 5 论文的主要内容及安排 本文是以不同网络拓朴结构下的网络控制所存在的共同问题作为出发点，研究 了在存在时延、丢包、多包传输等问题时，系统的稳定性及系统镇定问题。工作主 要从以下几个方面展开： ( 1 ) 在第一章中，介绍了网络控制系统出现的背景和意义，综述了网络控制系统 的研究内容和研究现状，并指出了本文研究的出发点。 ( 2 ) 第二章主要介绍了三种应用于网络控制的控制网络的技术特点，以及它们在 网络控制中的优缺点。并应用t r u e t i m e 工具箱搭建了网络控制系统的仿真平 台，通过对直流伺服电机控制系统的仿真试验，研究了网络对于控制系统的 影响。 ( 3 ) 第三章基于n c s 的离散模型，将网络时滞看作有界不确定量，给出了依赖于 时延上界的系统镇定条件。在此基础上，又得出了n c s 系统保性能控制的条 件。然后应用上面的结论设计了永磁同步发电机网络控制系统，并在t r u e t i m e 环境下验证了设计的正确性。 ( 4 ) 第四章用采样数据系统对n c s 进行了建模，在考虑网络传输丢包的情况下得 出了n c s 系统镇定了条件以及存在输入饱和限制条件下，系统镇定的条件。 最后将上面的结论应用于机械手网络控制中，设计了输入跟踪控制器，并在 t r u e t i m e 环境下进行了验证。 ( 5 ) 最后，对所做工作进行了总结，并分析了网络控制系统的发展趋势和未来的 研究。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章控制网络及仿真环境 2 1 引言 采用传统点到点连接方式的控制系统已经有几十年的发展历史了，然而随着对 于系统的复杂程度和系统扩展能力得要求的越来越高，这种传统的集中控制结构逐 渐显得力不从心。它已经无法适应现代过程控制对于系统模块化、分散化、低成本 的要求。在这样的控制需求下，网络控制系统( n c s ) 被开发出来，它具有连线少、 分布性强等优点。这种基于网络的控制系统中，系统的组件以节点方式通过网络连接 每个节点都具备数据处理能力和网络通讯能力，可以独立完成一定的任务。由于采 用功能模块化和标准接口的设计，不同设备、系统之间可以实现互操作，并且不同 厂家的性能类似的产品可以互换使用。控制网络是网络控制系统得以实现的平台， 网络的性能将直接影响到系统的控制效果，因此，在讨论网络控制策略前，首先必 须对各种控制网络进行详细的分析评估。 一般来说，在分析网络性能时，需要考虑的网络特性主要有访问延时、传输时 间、响应时间、信息传输延迟、信息冲突、信息吞吐量、数据包大小和网络的使用 情况等因素。对于控制网络，时延有界和传输的可靠性是衡量网络性能的最主要标 准。过长的网络延时或传输失败将会使系统的性能下降，严重时可能导致系统不稳 定。用于网络通信的网络协议有很多种，但能够能够满足控制系统要求的网络协议并 不多，大部分网络需要经过适当的优化和改进才能用于控制。目前，可以使用得协议 有e t h e r n e t ( i e e e8 0 2 。3 ：c s m a c d ) ，t o k e nb u s ( i e e e8 0 2 4 ) ，t o k e nr i n g ( i e e e8 0 2 5 ) 以及c a n ( c s m a a m p ) 。这些网络协议都满足控制系统对于网络时延和稳定性的 要求。对于实际系统通常基于以下两种媒体访问协议之一： 1 、c a n 。用于智能分布式系统( s d s ) 、d e v i c e n e t 3 0 乖lc a nk i n g d o m l 2 、t o k e nr i n g 或t o k e nb u s 。用于过程现场总线( p r o f i b u s ) 3 1 、生产自动 化协议( m a p ) 3 2 、c o n t r o l n e t 3 3 和光纤分布式数据接口( f d d l ) 【3 4 。 本章对以下三种网络类型进行了分析：以太总线型一使用c s m a c d ( 载波监听多 路访问冲突检测) 网络协议的网络；令牌总线型( 如c o n t r o l n e t ) 控制器局域总线 ( c a n ) 型( 如d e v i c e n e t ) 。后面将从这三类网络的一些主要特性出发，对它们在 网络控制应用中的优缺点进行详细的分析。 2 2 控制网络协议研究 2 2 1 以太网( c s m a c d ) e t h e r n e t 采用c s m a c d 协议( i e e e 8 0 2 3 ) 作为媒体访问层协议。当一个节点 需要发送数据，它首先监听网络，如果网络处于空闲状态，则立即向网络发送数据。 反之，则置于等待状态，并继续监听，直到网络空闲。当两个或多个节点同时检测 到网络空闲，并向网络发送数据时，发送的数据包将会被破坏。因此，节点一边发 华北电力大学硕士学位论文 送数据一边检测冲突。当检测到冲突后，立即停止传送，并等待随即长度的时间， 然后重复发送过程。等待时间的算法采用标准二进制指数后退算法( b e b ) ：重新发 送时间是在0 到2 一1 个时间片内随机选择，这里i 表示节点检测到第i 次冲突，一 个时间片是消息往返所需要的最小时间。当冲突大于或等于1 0 次后，间隔固定在 1 0 2 3 个时间片上。大于1 6 次冲突后节点不再试图发送消息，并向处理器报告发送 失败，进步的恢复要在更高层的协议中解决。 图1 以太网信息帧的结构 以太网信息帧的结构如图1 所示。帧的控制部分有2 6 个字节，帧的长度在 4 6 1 5 0 0 字节之间。因为规定了有效帧从目的地址位到校验合位至少有6 4 个字节( 包 括前同步和开始分隔符共7 2 个字节) 。如果数据帧中的数据部分少于4 6 个字节， 就用填充符填入到数据帧中，使得该帧满足最小帧长的要求。要求达到最小帧长有 两个原因：第一、当接收装置检测到冲突，它就截断当前数据帧，这样网络上就常 常会出现零散的位和帧，最小帧长可以把有效帧与“垃圾帧”区分出来。第二、它 保证节点第一位还没有到达网络的远端时不会完成帧的发送，因为该帧可能与其他 帧发生冲突。对一个1 0 m b se t h e r n e t ，网络最大长度是2 5 0 0 m ，允许的最小帧时间 5 1 2 p s 。5 1 2 s 是在1 0 m b s 下传输6 4 个字节所需的时间。 由于控制字节数少，网络操作算法简单，以太网在网络负载低时几乎没有延迟。 与令牌总线或令牌环协议相比，增加和扩大访问网络不用增加通信带宽。控制系统 使用1 0 m b p s 的以太网( 例如m o d b u s t c p ) ，高速( 1 0 0 m b p s 或甚至l g b p s ) 以太 网主要用于数据网络。 由于采用竞争协议，并且不支持任何消息优先，在网络负载大时，消息碰撞是 一个主要问题。因为，它在很大程度上影响数据传输量和延迟时间，延迟时间可能 是无界的。以太网中一个节点传输包时，不管其他节点正在访问介质，它都独占通 信介质。这样产生碰撞后，消息必然会被丢弃，因此，不能保证首位相联的连续通 信。由于限制了最小有效帧的大小，使季导以太网要用很大的信息格式传输少量的数 据。 由于以太网采用的c s m 刖c d 算法简单，公正性好，可用v l s i 技术实现，现 在很多d c s 系统和现场总线网络都采用了以太网。如美国f o x b o r o 公司开发的i a s 系统在节点总线采用了c s m a c d 方式进行存取控制；r 本横河公司的 c e n t u m x l 系统的最高一级子网s v - n e t 有两种配置方案，其中一种就是以太网； 现场总线l o n w o r k s 也使用以太网。使用以太网技术时，并不要求整个网络系统统 9 华北电力大学硕士学位论文 一采用，通常只是用于某个层次上。 以太网访问控制的优点有： 1 ) 节点并行连接到总线上，某个节点的失效不影响整个网络的运行。 2 ) 网络接口比较简单，实现节点的加入和撤出很容易，可扩展性和可靠性较好， 维护方便，结构灵活，成本低。 3 ) 信道利用率( 每一帧占用信道的时间) 高，特别是低负载( 4 0 以下) 的情况。 4 ) 传输时间与节点数无关。 5 ) 在低负载时，网络传输延时小，响应速度快；有较高的信道吞吐量。 以太网访问控制的缺点是： 1 ) 随着网络负载的加重，冲突概率增加，信息传输时间不确定，传输平均延时增 加，响应时间变长，信道利用率降低，特别是网络负载达到6 0 以上时，网络性能 急剧下降，所以只有控制通信负载，限制节点数量，才能改善实时性。 2 ) 从理论上讲，重负载下各节点获得成功传输的概率是一样的，但实际上如果一 个节点不能正确处理冲突，它将在一段不确定时间范围内被禁止访问网络，会出现 有些节点挂不上网的情况。 3 ) 它不宣传输象“过程数据”这样的小数据包。因为如前所述，若帧的长度小于 规定的最小长度，则须添加不必要的无用信息，使之达到最小长度才能传输，这样 既浪费了信道，使有效数据传输率降低，又增加了传输延时，降低了网络的实时性。 4 ) 由于信号在传输中会引起衰减，当两个站相距较远时，它们发送到对方的信号 与接收到的信号的叠加会小于冲突闽值，无法检测出冲突，所有通讯电缆的长度有 限制( 最长为5 0 0 m ) 。 5 ) 信息帧无优先级别，不同的帧发送的概率一样，用于实时系统时，将受到各种 条件的约束。 6 ) 为了检测冲突，对信号幅度有较高的要求。 为了解决e t h e m e t 在网络控制中的存在问题，研究人员提出了一些改进方案。 如对每一条信息增加时间戳，但这样需要进行时钟同步操作，这对于e t h e r n e t 是很 困难的。还有一些其它的方案，采用确定的重发时延来避免网络冲突，从而使网络 时延有界。但这些方法的本质是用网络性能的降低来换取网络时延的减小。其他一 些方法采用增加优先级的方法提高c s m a c d 网络的性能( 如l o n w o r k s ) 。通过划 分网络结构，使用切换e t h e r n e t 是另一种提高效率的方法。 2 2 _ 2 令牌网( t o k e n - p a s s i n gb u s ) m a p ，p r o f i b u s 和c o n t r o l n e t 都是t o k e n p a s s i n gb u s 控制网络的典型例子。 因为在发送一帧消息之前最大的等待时间可以由令牌的循环时间获得，所以他们都 是有确定时延上界的网络。令牌总线( i e e e8 0 2 4 ) 网络上的节点被安排成了一个 1 0 华北电力大学硕士学位论文 逻辑环，在c o n t r o l n e t 上每个节点都知道它的前驱节点和它的后继节点。网络运作 过程中得到令牌的节点发送数据，它发完所有数据或时间片用完了后将令牌传递给 它的逻辑后继节点。如果节点不发送数据，则直接将令牌传给下一个节点。持有令 牌的节点才能发送数据，所以令牌总线不会发生网络冲突。协议规定了每个节点访 问网络的最大时间，如果令牌在某个节点停止时间过长，则协议会产生一个新的令 牌。总线上可以动态的增加或删除节点。 为了提高网络的性能，令牌环网提供了一种预定优先级的处理机制，每个节点 都被分配一个预定优先级，当帧在环路中传输时，希望发送数据的节点将本节点的 预定优先级填写入帧内优先级区域，因此，本帧传输完毕后，释放令牌时，可以根 据预定优先级选择令牌的宿地址，使得优先级较高的节点尽快获得数据传送的机 会。通过合理设置时钟，可以保证令牌总的持有时间以一定比例分配给不同优先级 节点队列。如果高优先级节点不需要分配给他的时间，低优先级队列可以使用剩余 的未使用时间，不会造成信道浪费。 令牌总线协议( i e e e 8 0 2 4 ) 是一个线型的、多点的、树型的或分段的拓补结 构，它是将c s m a c d 和令牌环两种协议相结合，取其之长形成的。物理总线上的 节点建成逻辑环，每个节点在